两相热压缩机冷却方式的比较研究

饶俊峰 邱利民 陆军亮 管文洁 戴恩乾 楼盼龙

(浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

两相热压缩机冷却方式的比较研究

饶俊峰 邱利民 陆军亮 管文洁 戴恩乾 楼盼龙

(浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

基于自行设计研制的中国国内首台两相热压缩机，分别研究了水冷和空气自然冷却两种冷却方式对两相热压缩机性能的影响。研究发现，两相热压缩机对冷却方式非常敏感。该压缩机在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和0.8 Hz频率下运行时，采用水冷时，压比基本上保持不变，即使加热功率达到220 W;但采用空气自然冷却时，压比达到5.0以上，且加热功率不超过140 W。

两相热压缩机 水冷 自然冷却压比

1 引言

热压缩机是Gamma型斯特林发动机的一个衍生，它利用热源驱动，通过活塞在容器壁内往复运动，引起工质在热腔和冷腔内来回穿梭，从而形成压力波动。具有耗功少、装置简单、振动小、噪音低、寿命长等优点，而且它的理想效率是卡诺效率，热压缩机在航空、航天等军事领域以及低温工程等场所会得到广泛应用［1］，因此吸引了不少学者对此进行研究。

热压缩机概念最早由 Bush［2］提出，随后，Glassford［3］、Peterson［4］、Edwards［5］都对热压缩机进行了深入的研究，特别在建模、理论分析等方面做出了贡献。中国国内对热压缩机的研究也逐渐深入。1983年中国科学院上海技术物理所纪国林等［6］搭建了一个无污染气体热压缩机实验台，该机工作腔系无油润滑，对工质气体无污染，实验在加热温度为610℃时，得到1.34的压比，因此该系统只能应用在低压比的情况下。1993年王俊杰、周远［1］设计了一台液氮温区的低温热压缩机，热压缩机的冷端和进、排气阀都置于液氮中，实现了低温压缩，使压比在流量较大时也拥有较大的压比，实验结果在2 Nm3/h的流量下达到了4.1的压比。该装置中部分要置于液氮中，对换热器性能和低温下密封等要求都较高，体积较大。

为了提高压缩机的压比，人们把目光投向了两相热压缩机。Yarger［7］于2006年对微型两相热压缩机进行了实验分析，提出由于饱和工质正己烷的物性参数与理想气体不同，所以不需要回热器就能实现高温腔与低温腔的热量传递。他实验观测了系统压力随电机转速的变化关系和电机的极限转速，在冷腔和热腔温度分别为25℃和150℃时，当电机转速为13 r/min时，压差达到最大352 kPa，当电机速度达到73 r/min时，液柱不再连续，压差随着电机转速的增加而减少。但该试验台属微型热压缩机，尺寸较小，没有对绝热段和加热功率对系统性能的影响进行深入研究。

本文独立设计搭建了中国国内首台两相热压缩机实验台，并开展了初步实验。对于传统的热压缩机或制冷系统而言，冷凝段带走的热量越多越好，也就是冷凝温度越低性能越好。然而，两相热压缩机具有自身独特的性质，它采用两相工质，因为两相工质需要足够的热量才能汽化，冷凝段带走的热量过多会影响其汽化，从而无法产生高压;但是冷却段越冷，工质在液化时压力才会越低，这样又有利于产生压比。因此，对两相热压缩机的冷却方式的研究变得十分关键，其直接决定着两相热压缩机的性能。为了进一步深入分析两相热压缩机的实验台的性能，对其进行优化，研究分别采用水冷和空气自然冷却两种冷却方式进行了比较实验研究并加以理论分析。

2 两相热压缩机实验台

图1为自行研制的两相热压缩机实验装置，主要由蒸发段、绝热段和冷凝段通过法兰连接而成。该机利用热源驱动，通过活塞的上下往复运动，使两相工质通过活塞与汽缸壁之间的间隙在热腔和冷腔内来回穿梭，在换热的同时伴随气液相变形成压力波动。表1为实验台主要零部件的尺寸及材料。

如图1所示，该系统共布置了1个压力传感器和3个温度传感器，压力传感器精度为:0.1%FS;T1采用K型热电偶，T2、T3采用T型热电偶，这两种热电偶的精度均为0.1 K。压力数据采集系统中的硬件装置均为美国NI公司的产品;温度数据采集系统中的硬件装置KEITHLEY2700数字万用表，压力和温度数据采集程序均基于Labview软件平台。实验均采用纯正己烷为工质。

图1 两相热压缩机示意图Fig.1 Schematic of two-phase thermocompressor

表1 两相热压缩机结构参数Table 1 Structural parameters of two-phase thermocompressor

3 实验结果与分析

在实验过程中，正己烷工质在常温常压下进行灌注，灌注量为510 mL，在各个频率运行下保持不变。活塞运动频率通过电动机转速来调节，实验过程中分别在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和 0.8 Hz频率下运行，在同一频率下，冷凝段分别采用水冷和空气自然冷却两种不同冷却方式进行冷却。

图2给出了压比随加热功率的变化关系图。实线是水冷时压比随加热功率的变化，在实验过程中，不断增加加热功率直到220 W，然后观察压比变化情况，一段时间后，若压比没有显著变化，保持加热功率不变，关闭水路，所以图中横坐标后面一个220 W的加热功率对应的是水路关闭时的情况。从图中可以看出，只有在0.2 Hz频率运行下，压比才达到了3.18(从图3可以看出，此时冷凝段温度略有上升)，其它频率下压比均保持不变，甚至加热功率增加到220 W，只有把水冷关闭时，压比才逐渐上升，最大压比4.22在0.8 Hz下取得;虚线是空气自然冷却时压比随加热功率的变化，在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和0.8 Hz频率下运行时，均取得了4.0以上的压比，最大压比6.93在0.2 Hz下取得，而且此时的加热功率仅为130 W，整个实验过程中的加热功率也不超过140 W。这是因为在正己烷是在常温常压下灌注的，正己烷温度要高于69℃时才汽化，采用水冷时，由于水的传热系数大，大量的热量被水带走，即使正己烷在高温腔时也很难汽化，尤其是在较高的频率下运行时，所以压比基本上保持不变。而采用空气自然冷却时，传热系数小，正己烷在高温腔时吸收热量汽化，在低温腔时放出热量液化，所以产生压比。

图2 压比随加热功率的变化关系图Fig.2 Pressure patio dependence on heating power

图3是蒸发段和冷凝段温度随加热功率的变化关系图，图中给出的温度是每个加热功率下的稳定值。图3a是水冷时蒸发段温度和冷凝段温度随加热功率的变化，不同频率下，蒸发段温度的变化趋势相同，均随着加热功率的增加一直上升，蒸发段温度最高温度在0.6 Hz下取得为266℃，冷凝段温度一直保持不变，当把水路关闭后，冷凝段温度才迅速上升，最高温度是0.8 Hz下的40℃;图3b是空气自然冷却时蒸发段温度和冷凝段温度随加热功率的变化，不同频率下，蒸发段温度变化基本相同，均随着加热功率的增加上升，蒸发段最高温度在0.4 Hz下取得为193℃，而且上升趋势明显大于水冷的，冷凝段温度随着加热功率的增加略有升高，最高温度是0.4 Hz下的35℃。

图3 蒸发段和冷凝段温度随加热功率变化关系图Fig.3 Temperature of evaporator and condenser section dependence on heating power

图4是平均压力和电动机功率随加热功率变化关系图，在实验过程中，需要记录每个加热功率下的电动机功率。图4a是水冷时平均压力和电动机功率随加热功率变化，从图中可以看出，电动机功率的变化趋势和工质平均压力的变化趋势相同，工质平均压力越大，电动机功率越大;图4b是空气自然冷却时平均压力和电动机功率随加热功率变化，电动机功率的变化趋势和工质平均压力的变化趋势也基本相同，但刚开始时，电动机功率略大，这是因为刚开机，活塞运行摩擦力较大的缘故，运行平稳后逐渐减小，直到最后平均压力增大的时候电动机功率迅速增加，从图中还可以看出，水冷和空气自然冷却时工质平均压力变化范围基本相同，但空气自然冷却时的电动机功率明显小于水冷。

图4 平均压力和电动机功率随加热功率变化关系图Fig.4 Mean pressure and motor power dependence on heating power

4 初步理论分析

在实验过程中，加热段的热量Qin，一部分被冷凝段Qout带走，一部分被工质Qfluid吸收汽化，还有一部分热量损失Qlost，即:

所以，

以本实验台为例，实验中正己烷灌注量为510 mL保持不变，正己烷是在常温(20℃)常压下进行灌注的，即正己烷由一个大气压下的过冷状态加热汽化成200℃下的饱和状态，所以，

由上可知，正己烷汽化需要一定的热量，一般在实验过程中，加热量增加到一定程度后，大概30 min后压比逐渐增大，即

由于存在各种换热效率损失、系统对外高温辐射损失以及漏热损失等，Qlost的数值也很大。随着加热功率的增加，辐射损失和漏热损失会增加，所以，Qlost会随着加热功率的增加而增加。

4.1 水冷

实验过程中保持水的体积流量约为20 mL/s，冷却水进出口温差设为1℃，则此时冷凝段散热功率为:

上述冷凝段的换热量仅仅是设定水的进出口温差为1℃时数值，况且随着加热功率的增加，系统温度不断增加，水的进出口温差会达到2或以上，此时的qwaterout会显著增加，而且此时的热量损失Qlost也会增加。因此，即使把加热功率增加到220 W，压比也基本上保持不变(如图2所示)。增加加热功率qin，同时冷凝段换热量qwaterout也会随之增加，大部分热量被冷却水带走，这正是压比较低的关键所在。

4.2 空气自然冷却

根据上述实验中数据，取Tw=45℃，T∞=20℃，据此查出此时空气的性质，并计算［8］得:

所以，传热系数为:

自然冷却时的散热功率为:

空气自然冷却时的换热功率比较小，大部分热量被工质吸收汽化，因此在实验过程中，加热功率增加到140 W，甚至是120 W就产生了较大的压比，这对利用废热等低品位热源具有积极意义。尽管以上只是对两相热压缩机在实验过程中的定量估算，但可以明显发现冷却方式对热压缩机性能的重要影响，深入的理论研究工作正在继续进行。

5 结论

本文在自行设计研制的基于低品位热源的两相热压缩机实验台基础上，分别对冷凝段采取水冷和空气自然冷却两种冷却方式进行了实验。研究发现，两相热压缩机对冷凝段的冷却方式十分敏感，并直接决定了热压缩机的性能。当冷凝段采用水冷时，大量的热量被冷却水带走，即使正己烷工质运动到高温腔时也较难汽化，因此压比基本上保持不变;当采用空气自然冷却时，换热量较小，冷凝段温度随着加热功率的升高缓慢增加，实验中可获得较大压比。因此，采用两相工质的热压缩机的冷却过程务必要进行优化，从而获得最佳性能。

1 王俊杰，周 远.液氮温区低温热压缩机［J］.低温工程，1993(3):14-18.

2 Bush.Apparatus For Compressing Gases［P］.US:2157229，1935.

3 Glassford.Adiabatic Cycle Analysis for the Valved Thermal Compressor［J］.Journal of Energy，1979(3):306-314

4 Peterson.Thermocompression engine cycle with isothermal expansion［J］.Energy Sources，1998，20:199-208.

5 Edwards，Peterson.Modeling and thermodynamic cycle performance of a miniaturere ciprocating thermocompressor［C］.IECEC，2005，657-667.

6 纪国林.无污染气体热压缩机的实验研究［J］.低温与超导，1983(2):8-13.

7 Yarger.Experimental study of a mesoscale two-phase thermocompressor［C］.IECEC，2006，147-156.

8 杨世铭，陶文铨.传热学(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

Comparison study on cooling methods of a two-phase thermocompressor

Rao Junfeng Qiu Limin Lu Junliang Guan Wenjie Dai Enqian Lou Panlong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Based on the first self-developed two-phase thermocompressor domestically，the effects of water cooling and air cooling on thermocompressor performance were investigated comprehensively.The results suggest that the whole performance is sensitive to cooling methods.At 0.2 Hz，0.4 Hz，0.6 Hz and 0.8 Hz，the pressure ratio is almost constant up to a heating power of 220 W when water cooling was adopted;while using the air cooling method，the pressure ratio reachs above 5.0 with the heating power less than 140 W.

two-phase thermocompressor;water cooling;natural convection;heating power

TB652

A

1000-6516(2012)01-0002-05

2011-11-10;

2012-01-20

国家杰出青年科学基金(NO.50825601)，国家重点基础研究发展计划项目(2010CB227303)资助。

饶俊峰，男，25岁，硕士研究生。